瀝青路面太陽能集熱使用研究進(jìn)展

蔡燾

摘 要：本文簡要闡述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程，分析了瀝青路面太陽能集熱的原理，從路面材料方面對瀝青路面太陽能集熱效率的影響因素進(jìn)行了綜述，同時分析瀝青路面太陽能集熱技術(shù)發(fā)展過程中存在的不足之處，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：瀝青路面太陽能集熱;研究現(xiàn)狀;原理

0 引言

利用瀝青路面吸收太陽能是一種新型的能源利用技術(shù)，它涉及到道路交通的可持續(xù)發(fā)展、新型綠色能源的開發(fā)利用問題。瀝青路面具有油耗低、噪音小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城市道路、橋梁加鋪、機(jī)場跑道及高速公路[1-2]。我國高速公路總里程已超過13萬公里，其中90%以上采用瀝青路面。瀝青路面太陽能集熱技術(shù)在能源開發(fā)利用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，黑色的瀝青路面具有很強(qiáng)的太陽能吸收能力，其吸收系數(shù)可達(dá)0.9，在夏季高溫時路面溫度可達(dá)70℃;與傳統(tǒng)的太陽能集熱系統(tǒng)相比，如太陽能熱水器的集熱面板，瀝青路面具有很大的集熱面積，并且可以在日落之后繼續(xù)收集路面殘留的熱量，有效緩解夏天城市熱島效應(yīng)。如果能夠?qū)r青路面收集的太陽能利用起來，可給建筑物供暖供冷，從面減少傳統(tǒng)能源在建筑能耗中的使用，大大緩解我國能源緊張局面并減少CO2等廢氣的排放。因此，瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價值。

利用瀝青路面進(jìn)行太陽能集熱是伴隨著道路融雪化冰技術(shù)的發(fā)展面展開的。1948年美國開始研究利用地下熱水的路面融雪化冰技術(shù)。美國Oklahoma State University（OSU）大學(xué)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，將路面作為太陽能集熱系統(tǒng)，采用利用豎孔地下?lián)Q熱器的地源熱泵封閉系統(tǒng)，開展融雪化冰和集熱蓄熱過程的研究，并分別在弗吉尼亞州西部橡樹嶺的高速公路坡道路段和懷俄明州Cheyenne高速公路的兩處坡道路段進(jìn)行了試驗(yàn)研究;2008年，蘇格蘭隱形加熱系統(tǒng)公司在韋斯特羅斯一條瀝青路面下埋設(shè)水管，利用存儲太陽熱量的路面來融雪化冰。從2008年開始，Hasebel研究了利用路面收集的太陽能熱能轉(zhuǎn)化為電能的可能性，通過試驗(yàn)和建立模型評估了質(zhì)量流率和換熱介質(zhì)溫度對轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明換熱介質(zhì)的溫度和熱電器件的電阻對該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的最大輸出功率有重要影響作用。該研究對路面太陽能集熱技術(shù)奠定了一個新的發(fā)展方向。

2010年，吳少鵬[3]等分析瀝青路面太陽能集熱系統(tǒng)熱學(xué)參數(shù)、瀝青路面溫度場分布以及瀝青路面太陽能集熱效率，指出路面太陽能集熱系統(tǒng)具有顯著的應(yīng)用潛力。

1 瀝青路面集熱技術(shù)的基本原理

瀝青路面太陽能集熱是利用太陽能的光熱效應(yīng)，這屬于太陽能熱利用的范疇，集熱的基本原理就是太陽光照射到瀝青路面上，其中大部分太陽輻射能為瀝青路面所吸收，進(jìn)面轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ㄟ^路面結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)作用將熱量傳送至管道處，并通過路面結(jié)構(gòu)與管道間的熱傳導(dǎo)、管道與換熱介質(zhì)間的對流換熱作用，將路面吸收的熱量傳遞給管道內(nèi)的換熱介質(zhì)，從面將路面接收的熱量輸送至儲熱器（比如地下蓄水層，地下絕緣容器）儲存或直接應(yīng)用。瀝青路面進(jìn)行熱交換的主要方式有路表面的輻射換熱、路表面的對流換熱、路面的導(dǎo)熱。

路表面的能量平衡關(guān)系：

G=Qr+Qs+Qk+Qc

式中：G為路面吸收的熱量;Qr為路面吸收的太陽輻射，主要影響因素是瀝青路面的吸收率，一般瀝青路面的吸收率達(dá)0.85～0.93，瀝青路面的顏色及使用年限都會影響瀝青路面的吸收率;Qs為路面熱反射輻射，主要影響因素是周圍環(huán)境的平均溫度和大氣溫度;Qk為路表面的導(dǎo)熱量，主要影響因素是瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù);Qc為路表面與大氣環(huán)境的對流換熱量，包括自然對流和強(qiáng)制對流兩部分，最大的影響因素是對流熱交換系數(shù)，對于自然對流，風(fēng)速是最大的影響因素。

2 瀝青路面太陽能集熱效率的影響因素

瀝青路面可吸收大部分的太陽輻射，但部分能量會以長波方式反射出去且瀝青路面導(dǎo)熱性能較差。目前，從路面材料方而提高瀝青路面太陽能集熱效率主要有以下兩種方式：一是增加瀝青路面的導(dǎo)熱系數(shù)K;二是增加路面的吸收率。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

在瀝青路面太陽能集熱的過程中，路面的導(dǎo)熱能力是非常重要的影響因素。增加路面的導(dǎo)熱系數(shù)既會起到降低路面溫度的效果，又能在道路內(nèi)部起到蓄熱作用，并且可減小瀝青路面極限溫度的波動，從而減少由于熱梯度引起的鋪裝層病害，延長道路的使用壽命。常用的增加路面導(dǎo)熱系數(shù)的方式有：添加導(dǎo)熱相填料、采用高導(dǎo)熱集料。

2.2 吸收率

路表面對太陽輻射的吸收率是一個確定表面所吸收的投射輻射的份額的性質(zhì)。與投射輻射的光譜分布、方向分布及吸收表面的性質(zhì)有關(guān)，可以近似地認(rèn)為與溫度無關(guān)。其取值對確定瀝青路面的表面溫度及說明路面的集熱量有著重要的影響。其值的較小變化也會導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算路面溫度、路面集熱量的與實(shí)際情況有較大幅度的波動。

目前，大多數(shù)研究都是設(shè)法增加路面反射率從而降低瀝青路而的溫度，對于增加路面吸收率的研究相對較少，因此在此方面的研究有待進(jìn)一步深入探索。

3 瀝青路面太陽能集熱的不足與展望

對于瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究，現(xiàn)在還處于起步階段，總的來說該項(xiàng)技術(shù)可以有以下3個方面的內(nèi)容的不足與展望：集熱、存儲、利用。

（1）集熱效率是瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的關(guān)鍵和核心，在集熱效率佳的情況下才有后續(xù)相應(yīng)研究的必要。對于路面材料可以通過增加瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)及路面的吸收率來提高該項(xiàng)技術(shù)的集熱效率，同時需要兼顧瀝青路面的路用性能。

（2）將夏季時瀝青路面獲取的熱量加以利用，需要將熱量進(jìn)行存儲，目前所提到的方法一般是將其存儲在地下絕緣容器或是地下蓄水層。但是針對路面獲取的熱量如何存儲在地下，地下存儲器的修建、位置選擇等相應(yīng)方面的文獻(xiàn)很少，并且就該方面進(jìn)行室內(nèi)模擬不現(xiàn)實(shí)，需要借助于軟件分析，對此有一系列技術(shù)問題還需解決。

（3）目前，提出了3種潛在的能源利用方式：緩解路面高溫病害、融雪化冰、給建筑物發(fā)電供暖制冷。利用瀝青路面進(jìn)行太陽能集熱就是緩解路面高溫病害、防止永久變形產(chǎn)生的過程;在管道內(nèi)通入一定溫度的介質(zhì)水可以對路面進(jìn)行融雪化冰，但其融雪化冰的效果主要與影響集熱效率的因素大致相同，因此要綜合考慮路面材料對于集熱與融雪化冰的影響;針對于給建筑物供暖制冷方面的研究幾乎沒有，這也是能源利用方面需要研究的問題。

4 結(jié)語

（1）綜述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究進(jìn)展，闡述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展歷史，介紹了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的集熱原理以及影響瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的因素。

（2）分析了提出了目前瀝青路面太陽能集熱技術(shù)研究存在的不足，即對瀝青路面太陽路用性能的相關(guān)研究有待加深。

（3）展望了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]常魁和.公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)新技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]吳少鵬，陳明宇，韓君.公路交通科技[J].2015（3）：17-22.